考虑碰撞的冗余串联机器人冲击运动分析与优化

根据操作环境和使用工况的不同,将碰撞问题划分为无约束碰撞问题和有约束碰撞问题,有约束碰撞问题又包括定点碰撞和动点碰撞。首先,基于Lagrange方程建立串联机器人系统的冲击动力学模型,并结合经典碰撞理论与恢复系数方程,推导了碰撞时系统的外部冲量求解模型。其次,针对无约束碰撞问题,在冲击动力学分析的基础上,建立了机器人发生碰撞时的冲击运动映射关系,提出了冲击运动映射矩阵的概念,并以此为基础构造机器人的冲击运动性能评价指标,用以评价系统在外部冲击作用下保持运动稳定性的能力。最后,分析定点碰撞和动点碰撞的已知条件,提出以碰撞时产生的外部冲量最小为目标,对机器人的碰前位姿进行优化,并以平面三连杆机器人为示例,分别进行无约束碰撞和有约束碰撞的冲击运动分析与优化设计。研究结果表明,机器人在处于或接近奇异位型时抵抗外部冲击的能力会显著降低,其结构参数对系统冲击运动性能有较大影响;通过对机器人的碰前位姿进行优化,可有效减小定点碰撞和动点碰撞时所产生的外部冲量,有利于提升系统运行的稳定性和安全性。